《机器学习在车险定价中的应用》实验报告

news2024/10/6 10:00:53

一、实验题目

机器学习在车险定价中的应用

二、实验设置

1. 操作系统：

2. IDE：

3. python：

4. 库：

三、实验内容

实验前的猜想：

四、实验结果

1. 数据预处理及数据划分

独热编码处理结果（以地区为例）

2. 模型训练

3. 绘制初始决策树

4. 模型评价

5. 模型优化

绘制优化后的决策树

6. 修改样本、网格搜索参数进一步优化模型

五、实验分析

一、实验题目

机器学习在车险定价中的应用

二、实验设置

1. 操作系统：

Windows 11 Home

2. IDE：

PyCharm 2022.3.1 (Professional Edition)

3. python：

3.8.0

4. 库：

numpy	1.20.0
matplotlib	3.7.1
pandas	1.1.5
scikit-learn	0.24.2

conda create -n ML python==3.8 pandas scikit-learn numpy matplotlib

三、实验内容

本次实验使用决策树模型进行建模，实现对车险数据的分析，车险数据为如下MTPLdata.csv数据集：

该车险数据集包含了50万个样本，每个样本有8个特征和1个标签。其中，标签是一个二元变量，值为0或1，表示车主是否报告过车险索赔（clm，int64）；特征包括车主的年龄（age，int64），车辆的年限（ac，int64）、功率（power，int64）、燃料类型（gas，object）、品牌（brand，object），车主所在地区（area，object）、居住地车辆密度（dens，int64）、以及汽车牌照类型（ct，object）。

实验前的猜想：

详见实验报告

四、实验结果

1. 数据预处理及数据划分

将数据读入并进行数据预处理，包括哑变量处理和划分训练集和测试集

MTPLdata = pd.read_csv('MTPLdata.csv')
# 哑变量处理-独热编码
# 将clm列的数据类型转换为字符串
MTPLdata['clm'] = MTPLdata['clm'].map(str)
# 选择包括第1、2、3、4、5、6、7、8列的数据作为特征输入
# ac、brand、age、gas、power
X_raw = MTPLdata.iloc[:, [0, 1, 2, 3, 4]]
# X_raw = MTPLdata.iloc[:, [0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]]
# 对X进行独热编码
X = pd.get_dummies(X_raw)
# 选择第9列作为标签y
y = MTPLdata.iloc[:, 8]

# 将数据划分为训练集和测试集，测试集占总数据的20%
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, stratify=y, test_size=0.2, random_state=1)

独热编码处理结果（以地区为例）

2. 模型训练

我们使用决策树分类器模型进行训练（设定树的最大深度为2，使用平衡的类权重，并默认使用基尼系数检验准确度）。

model = DecisionTreeClassifier(max_depth=2, class_weight='balanced', random_state=123)
model.fit(X_train, y_train)     # 数据拟合
model.score(X_test, y_test)     # 在测试集上评估模型

3. 绘制初始决策树

为了更好地解读决策树模型，调用plot_tree函数绘制决策树。

plt.figure(figsize=(11, 11))
plot_tree(model, feature_names=X.columns, node_ids=True, rounded=True, precision=2)
plt.show()

4. 模型评价

pred = model.predict(X_test)
table = pd.crosstab(y_test, pred, rownames=['Actual'], colnames=['Predicted'])
# table

# 计算模型的准确率、错误率、召回率、特异度和查准率
table = np.array(table)  # 将pandas DataFrame转换为numpy array
Accuracy = (table[0, 0] + table[1, 1]) / np.sum(table)      # 准确率
Error_rate = 1 - Accuracy  # 错误率
Sensitivity = table[1, 1] / (table[1, 0] + table[1, 1])     # 召回率
Specificity = table[0, 0] / (table[0, 0] + table[0, 1])     # 特异度
Recall = table[1, 1] / (table[0, 1] + table[1, 1])          # 查准率

5. 模型优化

为了寻找更优的模型，我们使用cost_complexity_pruning_path函数计算不同的ccp_alpha对应的决策树的叶子节点总不纯度，并绘制ccp_alpha与总不纯度之间的关系图。

model = DecisionTreeClassifier(class_weight='balanced', random_state=123)
path = model.cost_complexity_pruning_path(X_train, y_train)
plt.plot(path.ccp_alphas, path.impurities, marker='o', drawstyle='steps-post')
plt.xlabel('alpha (cost-complexity parameter)')
plt.ylabel('Total Leaf Impurities')
plt.title('Total Leaf Impurities vs alpha for Training Set')
plt.show()

1w样本 50w样本

接着，我们通过交叉验证选择最优的ccp_alpha，并使用最优的ccp_alpha重新训练模型。

绘制优化后的决策树

rangeccpalpha = np.linspace(0.000001, 0.0001, 10, endpoint=True)
param_grid = {
    'max_depth':  np.arange(3, 7, 1),
    # 'ccp_alpha': rangeccpalpha,
    'min_samples_leaf': np.arange(1, 5, 1)
}
kfold = StratifiedKFold(n_splits=10, shuffle=True, random_state=1)
model = GridSearchCV(DecisionTreeClassifier(class_weight='balanced', random_state=123),
                     param_grid, cv=kfold)
model.fit(X_train, y_train)

此外，还计算了各个特征的重要性，并绘制了特征重要性图。

plt.figure(figsize=(20, 20))
sorted_index = model.feature_importances_.argsort()
plt.barh(range(X_train.shape[1]), model.feature_importances_[sorted_index])
plt.yticks(np.arange(X_train.shape[1]), X_train.columns[sorted_index])
plt.xlabel('Feature Importance')
plt.ylabel('Feature')
plt.title('Decision Tree')
plt.tight_layout()
plt.show()